Tema: Temperatura y equilibrio térmico.
Ficha No. 7 : Calor y temperatura.
La energía es una propiedad de la materia que se vincula con la capacidad para transformar, deformar o poner en movimiento un objeto. Como viste en la secuencia 7, la energía se manifiesta de diferentes formas que pueden transformarse unas en otras. Una manera de reconocer la energía es analizando sus manifestaciones; por ejemplo, la energía potencial gravitacional de una manzana que colocamos a cierta altura se manifiesta cuando la soltamos, primero como movimiento de la manzana (cuando se transforma su energía de potencial en cinética) y después como deformación de la misma al chocar con el suelo. Otra manifestación de la energía es la temperatura.
Cotidianamente usamos expresiones como hace frío o calor; decimos que algo está caliente o frío para referirnos al estado del tiempo o a la temperatura de los objetos; sin embargo, estas afirmaciones son subjetivas, pues las sensaciones de calor o frío dependen de cada persona o sujeto: para alguien un clima caluroso puede ser agradable pero no para otra persona; una persona puede necesitar un abrigo en invierno, cuando otra se siente a gusto con una playera. Por medio del tacto podemos comparar cualitativamente la temperatura de dos cuerpos, decir cuál está "más caliente" o "más frío"; sin embargo, para medir la temperatura de manera precisa y objetiva se utiliza el instrumento llamado termómetro,
SI ponemos en contacto un cuerpo caliente con uno frío, el objeto caliente le suministra energía, en forma de calor, al objeto frío. El flujo de energía se detiene cuando ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura se dice, entonces, que se ha alcanzado el equilibrio térmico del sistema. Todos los termómetros funcionan mediante este principio y, algunos aprovechan otra propiedad de la materia: el volumen de las sustancias que cambia al variar su temperatura.
8 al 12/Marzo/2021
Qué vamos a aprender: Interpretar la temperatura y el equilibrio térmico con base en el modelo cinético de partículas.
Materiales: Libreta, internet, computadora o dispositivo inteligente (smartfone, tableta, etc.), bolígrafo, lápiz,libro de texto,enciclopedias, revistas.
Consideremos un termómetro de mercurio, el cual consta de un bulbo de vidrio que contiene mercurio conectado a un tubo delgado (capilar). Si el bulbo se pone en contacto con un objeto a mayor temperatura, recibe energía en forma de calor y el mercurio que contiene se dilata, es decir, aumenta su volumen, de modo que sube por el capilar de vidrio; así una medida de ese volumen indica la temperatura que alcanza el termómetro. De manera similar, si el bulbo se pone en contacto con un objeto a menor temperatura, cede energía en forma de calor al objeto y baja su temperatura; como consecuencia, el mercurio disminuye su volumen y baja por el capilar.
Los primeros termómetros se basaban en la dilatación del agua, pero como comprobaste, su dilatación no es uniforme. Los líquidos que cumplen con esta característica son el alcohol y el mercurio, imagina que en vez de los termómetros que comúnmente usas en el laboratorio o en casa midieras la temperatura con los termómetros que construyeron en la actividad anterior, ¿qué sucedería?, ¿todos registrarían las mismas medidas?
A principios del siglo XVIII para medir la temperatura se utilizaban más de 30 escalas diferentes. ¿Imaginas el problema que representaba que hubiera tantas? Actualmente, las más utilizadas son tres: la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) ideó la escala que lleva su nombre. Para un termómetro de mercurio eligió como puntos de referencia la temperatura de fusión (la temperatura a la cual un sólido pasa al estado líquido) del hielo y la de ebullición (en la que un líquido pasa al estado gaseoso) del agua a nivel del mar. Al primero asignó el valor de 100 y al segundo, el valor de cero, con lo cual fijó el valor del grado Celsius abreviado como (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos (por eso antes se le denominaba grado centígrado). Más tarde, discípulos de Celsius invirtieron los valores, asignando a la temperatura de fusión del hielo el valor de cero y a la de ebullición del agua, el de 100, que es como lo utilizamos en la actualidad.
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), físico alemán que desarrolló la escala de temperatura que ahora lleva su nombre. Fahrenheit eligió como puntos de referencia las temperaturas de congelación y de evaporación del cloruro de amonio en agua. A la primera asignó el valor de cero y a la segunda, de 100. En esta escala el punto de congelación del agua es 32 °F y el de ebullición 212 °F con 180 divisiones entre estos dos puntos. La escala Fahrenheit no se usa en México, pero sí en Estados Unidos de América, Reino Unido, Canadá, Sudáfrica, Nueva Zelanda y Australia.
Escala Celsius
A la escala de kelvin también se le conoce como escala de temperatura absoluta, ya que no utiliza un punto de referencia arbitrario (como las anteriores). William Thompson Kelvin (1824-1907) no determinó la temperatura mínima de su escala mediante una medida experimental, sino a partir de cálculos matemáticos que lo llevaron a concluir que no puede existir una temperatura más baja que —273.15 °C, ya que a esa temperatura las moléculas tendrían una energía cinética igual a cero, es decir, estarían en reposo absoluto. Kelvin colocó el punto cero de su escala termométrica en el cero absoluto de temperatura, y por razones prácticas conservó el tamaño de las divisiones de la escala Celsius. Así, en la escala kelvin el punto de congelación del agua es de 273.15 °K, mientras que el punto de ebullición, de 373.15 °K .
Para convertir temperaturas de grados Celsius a kelvin basta con sumar 273.15 a la temperatura dada en grados Celsius:
𝑻𝒌 = 𝑻°𝑪+ 𝟐𝟕𝟑. 𝟏𝟓
Igualmente, para convertir de kelvin a grados Celsius se resta 273.15 a la temperatura en kelvin:
𝑻𝒄 = 𝑻°𝒌− 𝟐𝟕𝟑. 𝟏𝟓
La conversión entre grados Fahrenheit y grados Celsius (°C) es más compleja. 𝑻°𝑭 = (𝟏. 𝟖 𝒙 𝑻°𝑪) + 𝟑𝟐
𝑻°𝑪 =
𝑻°𝑭− 𝟑𝟐 𝟏. 𝟖
Se sugiere observar el siguiente video:
https://youtu.be/St8tvRdvghk
https://youtu.be/_BfPj_ZHHT4
Para aprender más
Escala Kelvin
1. Responde lo siguiente
a) Se considera que una persona tiene fiebre cuando su temperatura corporal es superior a 37 °C. ¿A cuánto equivale esa temperatura en grados Fahrenheit?
b) En un noticiario se informó que la temperatura de la ciudad de Nueva York era de 77 °F ¿A cuánto equivale en grados Celsius? ¿En Nueva York hacía calor o frío?
c) ¿Cuál intervalo de temperatura es mayor, el comprendido por 1 °F por 1 °C?
d) ¿Existe una temperatura en que un termómetro graduado en la escala Celsius marque lo mismo que otro graduado en la escala Fahrenheit? ¿Cuál?
g) ¿Para proponer las escalas, pudieron haberse tomado como referencia las temperaturas de fusión y ebullición de cualquier otra sustancia? ¿Por qué?
Hay una gran diferencia entre calor y temperatura: si sumaras la energía cinética de un conjunto de moléculas, ésta sería directamente proporcional a la energía térmica total del cuerpo, que es la energía que se relaciona con los conceptos de calor y temperatura. Así, es posible definir a la temperatura como una medida de la energía cinética promedio de las moléculas que constituyen un cuerpo. A mayor energía cinética, mayor temperatura y viceversa.
Se llama calor a la energía que intercambian dos sistemas en contacto térmico (cuando transfieren energía térmica entre sí) con distinta temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico. El cuerpo con mayor temperatura cede energía en forma de calor al cuerpo de menor temperatura hasta que la de ambos se iguala; cuando esto ocurre se dice que alcanzan el equilibrio térmico.
La energía procede del movimiento de las partículas, por lo que, en la transferencia de calor, las partículas del cuerpo a mayor temperatura pierden movilidad, mientras que las del cuerpo a menor temperatura aumentan su movimiento. La dirección del flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas, y no de la energía térmica de cada uno.
Manos a la obra
Como comentamos anteriormente, el calor es una forma de transferencia de energía entre cuerpos u objetos en contacto térmico y se realiza de tres maneras distintas.
• La conducción es el típico medio de transferencia en los cuerpos sólidos, donde las partículas de los cuerpos con mayor temperatura tienen mayor energía cinética y, al estar en contacto con objetos a menor temperatura, transfieren su energía cinética a esas partículas hasta que se alcanzan el equilibrio.
• La convección se presenta en los fluidos, en donde el fluido con mayor temperatura se expande, por lo que su densidad disminuye y se eleva sobre el fluido a menor temperatura. Durante este movimiento las partículas de ambos se mezclan provocando intercambio de energía cinética, lo que permite alcanzar el equilibrio térmico, • En la radiación los cuerpos no necesitan estar en contacto físico, e incluso pueden estar separados por un gran espacio vacío. Los cuerpos con mayor temperatura emiten radiaciones electromagnéticas, que absorben los cuerpos con menor temperatura.
2. Observa que los dos bloques de la figura se encuentran a la misma temperatura, pero la masa de uno es el doble que la del otro.
a) ¿Cómo es la energía promedio de las partículas que Los conforman?
b) El segundo bloque tiene el doble de masa que el primero; ¿Cómo es el número de partículas que lo constituyen en comparación con el primer bloque? Argumenten su respuesta.
c) ¿La energía térmica de los dos bloques es la misma? ¿Por qué? d) ¿La temperatura de un objeto depende de su masa?
e) La energía térmica se modifica al cambiar la masa de un cuerpo.
O Dado que el calor es La transferencia de energía cinética de Las moléculas y si el segundo bloque tiene el doble de energía interna que el primero, ¿habrá transferencia de energía al poner en contacto los dos bloques? ¿Por qué?
g) Comparen en grupo sus respuestas y argumenten si las consideran correctas o incorrectas.
Rellene los círculos si observo que su hijo(a) logro lo siguiente:
o Identificar la diferencia entre calor y temperatura.
o Reconoce las escalas de temperatura usadas actualmente. o Convierte temperaturas de una escala a otra.
